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CAE/模拟仿真 |
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Flow Simulation在控制阀流场设计中的应用 |
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作者：东方电气自动控制有限公司 谭杰 |
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在工程中我们会经常遇到需要较为精确控制流量的场合，这时，各个控制阀门所控制的流量要求按较为严格的比例关系向下游设备提供所需的流体流量，以保证生成产物的品质，并减小原料的浪费，减轻下游分离回收设备的工作负荷。控制阀本身的动态响应特性决定了控制流量的精确程度，这是一个大的系统问题。控制阀过流部分的流场特性对控制流量的精确程度会有比较大的影响，同时也影响着控制回路的设计，本文针对Flow Simulation在控制阀的过流部分设计所起到的指导作用进行重点阐述。计算模型如图1。 
图1
模型忽略了其他的零部件，重点突出了阀芯与流体边界：介质为干燥的空气，进口平均速度为5m/s;出口压力受下游设备容积和反应动力平衡等因素的影响，是一个变化的数值，为简化说明，近似为1.1个大气压;气体进口温度约为350K。边界为没有热传递的绝热墙，表面粗糙度0.02mm，绝热墙材料为304不锈钢，如图2。
图2
在模型完成后，就可以确定流体的边界了：利用SolidWorks提供的在进口和出口处加盖的方法，就可以方便地确定出内部流体的范围。
从初始条件可以看出：气体介质的平均流速不高，在气体运动速度小于0.3马赫时，不考虑气体的可压缩性，因此认为是刚性的。且在进入控制阀以前有一段较长的管道，气体在管道中的速度分布发展比较完全。在进入阀芯以前可以近似认为速度是均匀的。对初始条件的预判断是很重要的，在流体分析中，包括牛顿流体与非牛顿流体，进口和出口位置的选择对整个分析是有影响的，因为当流体遇到要迫使其改变运动状态的物体后，其运动状态会有一个动态调整发展阶段，这个调整过程如图3所示。因此在选择计算模型时，要确定出一个比较理想的位置——能包括整个完整调整发展长度，这样才可以得出一个比较准确的计算结果，当然一次计算无法确定理想的边界位置，需要多次计算。
图3
另一个需要确定的参数，是在进口处的紊流扰动程度，一般是根据不同的应用在1%～5%之间取值，Flow Simulation默认的系数为2%，这个系数和入口的形状、边界墙的粗糙度等均有关系，同时还与前面讲到的上游流体的调整长度也有关系，对于此次计算的模型，因为是圆形进口，同时考虑到扰动的产生和发展长度，笔者认为取3.8%比较有计算效率。
在定义进口与出口初始条件时，一般地，对进口要给定速度流量或质量流量，出口要给定一个静态压力，这样是比较合理的，特别是对于可压缩流体来说，质量是守恒的，也可以避免计算结果的冲突。设定如图4所示。
图4
在流体的范围和初始条件确定后，系统将生成网格。在流体计算中，一般认为六面体或四边形的计算网格比四面体或三边形计算精度高，特别是在相对复杂的模型中更是如此。但是六面体或四边形的网格划分比四面体或三边形的网格划分耗时长，因此要根据具体的情况合理选择网格划分类型。因为用于分析的模型本身是处理过的，不存在窄缝及小网格划分的情况，这样可以避免计算机花较长的时间去处理不必要且不会影响计算精度的小特征，提高网格划分效率。
计算完成的结果如图5和图6所示，其中，压力分布情况如图5所示，速度分布情况如图6所示。
除此之外，在现实工程中，气体中会有一些固体颗粒，这些固体颗粒悬浮在气体中，以10～50μm的颗粒为主，质量流量为0.002kg/s。固体颗粒在气体中受重力、浮力以及流体对固体颗粒的扰动力，另外在固体颗粒质量浓度不同的情况下，还要考虑固体颗粒之间的互相碰撞。对于此次分析，在气体流动速度不高，雷诺数不大，气体内基本无扰动，属于层流，因此可以先假设固体颗粒是均布于整个气体空间且与气体分子拥有一致的速度矢量——当然这样的假设是否正确还需要在分析结果出来后进一步评估。这些颗粒在控制阀内的运动情况如图7所示。
图7
综合以上的分析结果，可以进一步得出阀芯再次开启时所受到的静态气动力和动态气动力分布，这些参数对于确定阀门控制元件参数起指导作用。同时，固体颗粒对阀芯所形成侵蚀也可以确定，为下一步选择阀芯材料及热处理工艺提供依据。因为模型在送交分析时，已经做过了简化，这样的简化是不是合理还需要进一步评估。如图8所示，从以上的分析结果来看，阀芯后的流体速度不会是这样的，因为这里有阀芯的支持零部件，因此需要进一步评估简化模型带来的影响。
Flow Simulation可以帮助设计人员在很短的时间内，对产品的特性做一个全面的了解，提供有价值的指导性意见，当然软件不是万能的，它仍然需要设计人员根据自己所掌握的理论知识、经验以及判断去甄别Flow Simulation提供的计算结果是否正确。因此，在设计之初对产品进行整体考虑是有必要的，把可能的条件考虑全面，设计过程中不断对边界条件进行修正，也是一个循环的过程，只有这样才能设计出功能完善的产品。(end)
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(1/7/2011) |
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